随机接入（Random Access Channel，RACH）是 UE 从「空闲态」进入「连接态」的第一道门，也是五大业务流程（注册、会话、切换、重建立、失步恢复）都会用到的基础能力。本文把 NPRACH/PRACH 的时频资源、前导（Preamble）格式、四步/两步随机接入流程一次讲透，并给出异常排查的思路。

为什么需要随机接入？

UE 需要上行同步 + 获得上行授权才能发送数据。但刚开机时 UE 不知道：

  • 自己距基站多远（上行定时提前 TA 未知）；
  • 上行有没有可用的资源（未分配）。

随机接入就是用来解决这两件事的：上行同步 和 建立初始连接。

触发随机接入的场景包括：

  1. 初始/RRC 建立（注册、初始业务）
  2. RRC 连接重建
  3. 切换（目标小区接入）
  4. 下行数据到达但 UE 失步（TA 超时后上行失步）
  5. 上行数据到达 / 恢复上行同步
  6. 波束失败恢复（BFR）

第一步：前导（Preamble）——随机接入的”敲门砖”

时频资源

  • 时域：PRACH 时隙/Slot，prach-ConfigurationIndex 决定具体子帧编号；
  • 频域：PRACH 频域起始位置 msg1-FrequencyStart + 资源块总数；
  • SCS（子载波间隔）：5G 支持 15/30/60/120 kHz 等多种（比 4G 更灵活）。

前导格式与覆盖

格式 CP 长 前导(Sequence)长 适用场景
0 3168 Ts 24576 Ts 覆盖好/宏站
1 21024 Ts 24576 Ts 大 TA、海面/超远
2 4688 Ts 73728 Ts 超远覆盖/海面
3 3168 Ts 33280 Ts 高速移动场景
A1/A2/A3 短前导 — 小小区/室分

前导越长，可获得的上行覆盖/最大 TA 越大。选格式 1/2（超长 Sequences、大 CP）可支持到几十甚至上百公里的超远覆盖，适合海面、偏远地区。

64 个前导怎么分配？

每个小区提供 64 个前导（部分格式变化），分为两组：

  • numberOfRA-Preambles 指定竞争性前导数量；
  • 剩余为非竞争性前导（用于切换、失步恢复、波束失败恢复等，由基站显式分配，避免冲突）。

第二步：四步随机接入（Contention-Based 竞争式）

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UE                     gNB
 |  1. PRACH(Preamble)   |
 |----------------------->|  ← 发前导
 |<-----------------------|  2. RAR（Random Access Response）随机接入响应
 |  3. Msg3(RRC SetupReq) |
 |----------------------->|  ← 带 UE 标识的 CCCH 消息
 |<-----------------------|  4. Msg4(Contention Resolution)
 |                         |  ← 竞争解决（确认唯一的 UE）
  1. Msg1：UE 在 PRACH 发送随机选择的前导（根据 cdmGroup、ra-PreambleIndex 等选择）；
  2. Msg2 (RAR)：gNB 检测到前导后在 PDCCH/PDSCH 下发 RAR，包含：Temporary C-RNTI、TA、上行授权（UL grant）、回退指示；
  3. Msg3：UE 用 RAR 给的上行授权发送 RRCSetupRequest（CCCH 逻辑信道，携带初始 UE 标识）；
  4. Msg4：gNB 发 RRCSetup（竞争解决），UE 收到后完成 RRC 建立，进入 RRC_CONNECTED。

两步随机接入（2-Step RACH，NR 引入）

为降低时延，NR 支持将 Msg1+Msg3 合并为 MsgA（前导 + 数据），Msg2+Msg4 合并为 MsgB：

1
2
3
MsgA: PRACH 前导 + PUSCH 上行数据（携带 RRCSetupRequest）
  ↓
MsgB: RAR + 竞争解决（一次下发）

两步法时延更低但依赖信道质量（msgA 用 PUSCH 发数据需要更好的上行条件）。系统通过配置允许 UE 先试两步、失败回退到四步。

失败重传与功率爬升（Power Ramping）

发送前导失败（没有收到 RAR）后，UE 会：

  • 提升前导发射功率（powerRampingStep，通常 2 dB）；
  • 达到 ra-PreambleInitialReceivedTargetPower + preambleTransMax 上限后放弃上报随机接入问题（RA problem）。

排查接入问题时，Preamble 接收不到 → 看上行覆盖/功率；收到 Preamble 但没收到 Msg3 → 看上行业务信道。逐跳定位。

相关参数速查（常用 MML 核查项）

参数 作用 不合理的影响
prach-ConfigurationIndex PRACH 时域位置 过密耗资源/过疏延迟大
msg1-FrequencyStart PRACH 频域起点 频域重叠→干扰
powerRampingStep 前导重发功率步长 太小接入慢
numberOfRA-Preambles 竞争前导数量 太少→冲突多
preambleTransMax 前导最大重发次数 太小→弱覆盖下接入失败

典型问题排查

  1. RRC 建立成功率低：先看 PRACH 是否发出（上行覆盖/功率/干扰），再看 Mgs3 是否送达（上行业务信道）。
  2. 竞争冲突多：前导冲突率高 → 适当增大随机前导资源/检测门限。
  3. 超远覆盖接入失败：前导选格式 1/2，扩大 PRACH 覆盖半径。

小结

随机接入是 UE 建链的第一跳，时频资源、前导格式、两步/四步选择、功率爬升共同决定接入的时延与成功率。理解 RACH，就能看懂后面所有信令流程（注册、会话、切换）为什么都从它开始。

排查口诀：Msg1 看上行覆盖，Msg3 看上行业务信道，冲突看 Preamble 分组，超远看前导格式。